正確認識腦磁圖在癲癇外科中的應用價值

遇濤

腦磁圖(magnetoencephalography, MEG)是一種無創性檢測工具,可以在顱骨外對大腦中神經元電流產生的微弱磁場進行測量。近年來,MEG的臨床應用越來越受到重視,尤其是在癲癇的手術評估中,可以為致癇區定位或顱內電極植入計劃提供額外的,有時是獨特的信息。本文將對MEG在癲癇外科的術前評估中的作用進行分析和討論,以推動MEG在癲癇術前評估中的合理應用。

1 MEG定位致癇灶的原理

1.1 MEG的基本原理與源定位的基本概念

神經元電活動包括細胞內的“初級電流”以及其誘導出的細胞外“容積電流”,兩種電流共同形成回路。細胞外容積電流增大到一定程度時產生的頭皮電位可通過腦電圖(electroencephalography, EEG)記錄到。初級電流和容積電流同時也產生磁場,當磁場增大到一定程度時,可以通過MEG記錄到。事實上,這些磁場非常微小,其磁感應強度只有10-14～10-13T[1]。目前認為MEG測量的神經活動來自皮質灰質的柱狀組織。MEG數據代表約一百萬個錐體神經元的突觸后電位(post-synaptic potential, PSP)總和,PSP電流約為10 μA,沿2 mm的有效皮質深度流動[2]。

在MEG記錄期間收集的數據需要使用數學建模進行處理,以確定產生磁場的電流的位置、強度及方向等。對于特定的一次電流,相應頭皮電位和外部磁場的計算稱為“正問題”;與之相對應,利用記錄的MEG或EEG信息建模,推算其源位置,被稱為“反問題”。對癲癇患者臨床應用MEG的主要目標是解決這個“反問題”。一個簡單有效的模型是等效電流偶極子(equivalent current dipole, ECD)模型。ECD模型可表示源位置和電流方向(圖1)。單個ECD(single ECD, sECD)是假定ECD來自皮層的單個點進行數據建模,是最常用的,也是驗證最充分的一種源建模方式,它是涉及幾平方厘米皮層電活動的良好模型,被公認為癲癇術前評估中臨床應用的標準方法[3]。通過MEG進行源定位后,與腦薄層MRI影像進行配準,顯示解剖位置,稱為磁源成像(magnetic source imaging, MSI)。

1.2 MEG與EEG的比較及聯合應用

與EEG類似,MEG也是一種對神經功能的直接電生理測量,其以ms為單位記錄頭皮外的磁場。但與EEG通常只使用20～30個頭皮電極不同的是,MEG采集頭盔可以有數百個傳感器,并且磁場不會因顱骨或其他邊界而扭曲,因此這種良好的空間與時間分辨率相結合,可以精確評估癲癇活動的產生和異常傳導。

注:A為紅色箭頭表示癲癇病灶中電流的方向,藍色線圈表示該電流產生的磁場的方向;B為黃色圖形表示磁源成像中的偶極子,圓形表示偶極子的位置,尾端表示偶極子的方向。

對于EEG,早期的體外研究顯示6 cm2的腦皮層激活可以產生頭皮EEG棘波[4],但后來的研究發現,需要10 cm2或更大的放電皮層才能產生頭皮棘波[5]。相比之下,MEG記錄所需要激活的皮層面積為3 cm2～4 cm2,提示MEG對發作間期放電具有更高的信噪比和靈敏度[6]。理論上,EEG對腦回表面的垂直方向電流活動敏感;相反,MEG對來自腦溝、島蓋、眶額部及半球間區域產生的切向電流特別敏感[6-9]。因此,MEG為EEG的定位提供了補充信息,也提供了觀察癲癇性電活動的不同視角。

在進行癲癇手術評估時,越來越多的研究者建議同時進行MEG和EEG記錄作為臨床標準,其意義在于:(1)對MEG中記錄到的尖波活動進行判別,以免與正常變異的腦電活動混淆;(2)增強對低信噪比MEG波形的檢測;(3)進一步提高源定位的可信度;(4)區分EEG中特有的棘波類型[1]。

1.3 偶極子簇

通常將緊密聚集在一起的偶極子稱為“偶極子簇”,而將松散分布的偶極子則稱為“分散偶極子”。偶極子簇是一種特征性的現象,還需要關注簇的數量及其分布,以及簇內偶極子的密度及其方向的均勻性(圖2)。具有單個偶極子簇、密集團簇及偶極子局限于同一腦葉的患者常常具有更好的預后效果。單灶簇更可能與發作區重疊,而多灶簇可能反映廣泛的癲癇網絡[10-13]。

注:A為分散偶極子;B為島蓋區的單個偶極子簇;C為島葉-島蓋區的偶極子密集團簇。

2 MEG在致癇灶評估中的作用

MEG在癲癇術前評估中的作用越來越受到重視,可以幫助醫生判斷是否進行手術、是否需要電極植入及是否需要調整電極植入方案(包括增加額外的電極、移除不必要的電極及調整覆蓋感興趣電極等)等。一項大型的難治性癲癇病例(1 000例連續性入組病例)研究表明,在32%的病例中,MEG為現有的術前方法[包括頭皮EEG、單光子發射計算機斷層掃描(single photon emission computed tomography, SPECT)及MRI]提供了額外信息,并且完全切除MEG提示的腦區更可能實現無發作[14]。另有研究顯示,將MEG結果作為致癇灶的重要定位依據,并將顱內電極充分采樣MEG提示的腦區時,患者術后實現無發作的機率顯著提高[13]。

2.1 在MRI陰性的局灶性癲癇中的應用

MRI結果陰性的局灶性難治性癲癇患者的外科治療是一項巨大的挑戰,即使應用顱內電極監測,仍然具有較低的手術治愈率。在一項納入57例患者的前瞻性隊列研究中,依據MEG結果改變了32例患者的手術方案,其中6例患者改為直接手術,免除顱內電極記錄;5例患者從最初建議的直接手術改為埋置顱內電極;3例曾被視為非手術候選的患者進行了顱內電極的埋置[15]。MEG常常提示需要探測額外的腦區,如腦島、眶額區及楔前區等。另一項前瞻性的研究也顯示,MEG結果導致23%的患者的顱內電極植入方案發生調整[16],33%的患者的手術方案發生改變[17]。這些手術方案的調整,為MRI陰性的局灶性難治性癲癇患者的外科治療提供了有力支持。

2.2 MEG在顳葉癲癇中的應用

由于顳葉癲癇的定位相對容易,且臨床醫生對MEG定位深部致癇灶的效果仍有懷疑,因此目前MEG在顳葉癲癇中應用的重視程度不高。根據本中心的研究,在一部分顳葉內側癲癇患者中,MEG可以準確顯示顳葉內側或顳前部的偶極子,尤其是在海馬旁回區域;而一些顳底、顳外側皮層的簇狀棘波偶極子對提示顳葉癲癇,尤其是顳外側型癲癇具有良好的臨床價值。后顳區偶極子的情況較為復雜,可能包括良性的偶極子形態,常位于側裂周圍區域的后顳區,特別是當它們是雙側或具有180度相反方向時,情況則更為復雜[18]。而顳后外側的單側性、方向一致的簇狀偶極子仍然為臨床定位帶來強烈提示。

2.3 MEG在額葉癲癇中的應用

額葉是癲癇患者中最常見的MEG棘波偶極子存在部位,在此區域,MEG常顯示出比EEG更好的定位效果[19-20]。額葉外側表面解剖區域廣泛,單個、密集而均勻的簇狀偶極子對于確認可疑局限的致癇灶非常有幫助,對提高額葉癲癇的手術效果有明確作用。例如眶額葉皮層來源的癲癇是額葉癲癇術前定位中非常困難的一種類型,可能有不同的EEG和臨床表現,而且MRI常常容易被認為是陰性。這種情況下,MEG可能是一種有效的定位工具[21]。然而,需要注意的是,檢測到位于外側眶額區的偶極子時,還應該注意鑒別是否存在內側顳放電傳播到眶額皮質的可能性。此外,考慮到額葉MEG結果還可能受到快速傳播及內側面深部源活動等因素的影響,在解釋額葉MRI陰性患者的MEG結果時,應始終考慮潛在傳播活動及網絡連接的影響。

2.4 MEG在島葉-島蓋區癲癇中的應用

島葉是一個復雜的結構,包裹在側裂的深處,由額蓋、頂蓋及顳蓋等結構覆蓋。近年來越來越多的證據表明,源自島葉-島蓋區的癲癇發作并不罕見,但識別困難,可能因此導致一些手術失敗[22-23]。如果能夠有效地識別島葉-島蓋致癇灶,大多數患者可能會獲得較好的手術結果。頭皮EEG對島葉癲癇的定位相對不敏感,與之相比,MEG對島葉-島蓋區產生的切向電流特別敏感,為EEG提供了補充信息[24-26](圖2 B～C)。

通過MRI檢測到的島葉病變是島葉癲癇的主要非侵入性證據[27]。但是,許多難治性島葉癲癇患者的MRI檢查難以發現結構異常,在波紋狀島葉皮質中識別出細微的局灶性皮質發育不良(focal cortical dysplasia, FCD)是很困難的。盡管島葉皮層大體上平行于腦表面,但事實上島葉皮質包含幾個腦回,腦溝內可能產生與頭皮成切線位的電流。因此,MEG不僅對蓋部的癲癇活動敏感,還可以檢測島葉皮層本身的癲癇活動[26, 28-29]。需要注意的是,位于島蓋前部的MEG偶極子更可能是病理性的,而對局限于后島蓋區的偶極子的解釋則需要額外考慮良性MEG變異活動的可能性。

2.5 MEG在后皮層癲癇中的應用

后皮層癲癇的發生率相對較低,而由于其致癇灶定位困難,涉及的功能復雜,其手術治療始終是一種挑戰[30]。關于后皮層癲癇的MEG定位報告也較少,其定位作用有待進一步研究。兒童良性枕葉癲癇是一種常常需要進一步識別的局灶性癲癇綜合征[31]。此外,考慮到后外側裂及枕內側皮質是良性MEG變異的常見部位,在分析后皮質放電時也需要考慮到該部位[32]。其他檢查的特征性定位信息,包括EEG中相應部位的尖波、MRI可疑病灶及PET局灶性低代謝等,均有助于確認這些區域的MEG偶極子的意義,并為致癇灶定位提供新的證據。而陰性結果也可能是由于MEG對內側和基底部的電活動敏感性較低所致。

3 MEG的進展與展望

盡管MEG在癲癇外科的術前評估中具有明顯優勢,但目前更廣泛的使用仍受到限制,原因包括記錄環境特殊、嚴格限制受試者運動及高維護成本等。國內外應用MEG作為常規術前評估檢查的研究中心相對較少。研究者也在不斷克服MEG在臨床應用中的缺陷,不斷優化數據處理、開發新的溯源分析方法及高頻信號分析、發展EEG或顱內電極EEG與MEG同步記錄等。而最具顛覆性的變革是以新一代使用原子磁強計(也稱為光泵磁強計)系統的MEG取代傳統的使用超導量子干涉裝置(superconducting quantum interference devices, SQUID)傳感器的MEG[33]。傳統的MEG傳感器必須在大型液氦杜瓦瓶中低溫冷卻,記錄只能在磁屏蔽室中進行,患者需要將頭部固定在尺寸有限的MEG頭盔中,頭部相對于傳感器的任何運動都有可能影響MEG信號質量,這也限制了其在特殊頭型、兒童患者及其他配合度不佳的患者中的應用。新一代的MEG系統不需要液氦,可以在室溫下工作,并可通過穿戴式設備長時間進行監測,可更多地記錄到發作期信號,這將大大提升MEG在癲癇術前評估中的應用價值,顯著降低使用成本。在此基礎上,將會創造更先進的硬件和精簡的軟件,使MEG進一步成為癲癇標準評估與治療的一部分。